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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit direkter
Nadelsteuerung nach einem ziehenden Aktorprinzip gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Das
Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf Verbrennungskraftmaschinen,
bei welchen Kraftstoffinjektoren zum dosierten Einspritzen des zu
verbrennenden Kraftstoffs verwendet werden.
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Die
DE 103 33 427 B3 offenbart
einen Kraftstoffinjektor der hier interessierenden Art. Dieser umfasst
ein Einspritzventil, welches eine Ventilnadel zum Öffnen und
Schließen
von Einspritzöffnungen aufweist.
Es ist eine dem Einspritzventil kraftstoffzuführende Leitung vorgesehen sowie
ein Aktor zur Betätigung
und ein hydraulischer Koppler, der zwei über eine hydraulische Kopplung
miteinander zusammenwirkende, linear hintereinander angeordnete
Kolben aufweist. Das Kopplervolumen wird über Führungsspalten der hintereinander
angeordneten Kolben gebildet. An den dem Aktor abgewandten Enden
der Kolben ist je ein Füllraum
angeordnet, die mit einer Leitung verbunden sind, wobei einer der
Kolben mit einer ersten Querschnittsfläche mit dem Aktor über eine
Stange und der andere Kolben mit der Ventilnadel verbunden ist.
Die beiden anderen Enden der Kolben greifen in zugeordnete Übersetzerräume ein, die über einen
Kanal miteinander hydraulisch in Verbindung stehen.
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Nachteilig
an der bekannten Lösung
ist, dass diese relativ komplex aufgebaut ist und aufgrund der zwei
Kolben sowie deren hydraulischer Verbindung fertigungstechnisch
recht aufwendig ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftstoffinjektor
mit direkter Nadelsteuerung nach einem ziehenden Aktorprinzip zu schaffen,
welcher einfach aufgebaut ist und mit einer einfach herstellbaren Übersetzungseinheit
ausgestattet ist.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einem Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Die nachfolgenden abhängigen
Ansprüche
geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass bei einem Kraftstoffinjektor mit
direkter Nadelsteuerung nach einem ziehenden Aktorprinzip zur Anordnung
an einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem
Kraftfahrzeug, ein Injektorkörper
vorgesehen ist, in dem ein Aktor zur Erzeugung einer Betätigungskraft
für eine
Düsennadel
aufgenommen ist, und eine mit dem Aktor gekoppelte Kopplereinheit
sowie eine Düsennadel,
die in einen Düsenkörper mit
mehreren, über
die Düsennadel
verschließbaren Öffnungen
zum Einspritzen eines Kraftstoffs untergebracht ist, wobei eine Übersetzungseinheit
zwischen Kopplereinheit und Düsennadel
vorgesehen ist, welche unter Bildung einer ersten Kraftübertragungsfläche eines
ersten Steuerraums mit der Kopplereinheit im Eingriff stehend und
unter Bildung einer zweiten Kraftübertragungsfläche eines zweiten
Steuerraum mit der Düsennadel
im Eingriff stehend derart ausgeführt ist, dass die Übersetzungseinheit
gegenläufig
bewegbar zu der Kopplereinheit und der Düsennadel ausgebildet ist, um
ein kraftübersetztes
Bewegen der Düsennadel
zu bewirken.
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Vorteile der Erfindung
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
insbesondere darin, dass sich durch eine solche Übersetzungseinheit Übersetzungsverhältnisse
in der Einspritzdüse
einfach realisieren lassen. Zudem ist die Übersetzungseinheit und somit
auch der gesamte Kraftstoffinjektor konstruktiv einfach aufgebaut.
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Der
erste Steuerraum ist in dem Injektorkörper ausgebildet und wird axial
durch eine erste Kraftübertragungsfläche begrenzt.
Die erste Kraftübertragungsfläche wird
mittels der Übersetzungseinheit und
der Kopplereinheit definiert.
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Der
zweite Steuerraum ist ebenfalls in dem Injektorkörper ausgebildet und wird axial
einmal durch den die Düsennadel
aufnehmenden Körper und
zum anderen durch die zweite Kraftübertragungsfläche begrenzt.
Die zweite Kraftübertragungsfläche wird
mittels der Übersetzungseinheit
und der Düsennadel
definiert.
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Bevorzugt
ist, dass die Übersetzungseinheit als
im Längsschnitt
gesehen H-förmiger
Körper
mit einem etwa mittig angeordneten, eine Durchgangsöffnung aufweisenden
Trennwandelement ausgebildet ist, welche die Übersetzungseinheit in einen
aktorseitigen ersten Teil und einen nadelseitigen zweiten Teil trennt.
Der H-förmige
Körper
weist bevorzugt einen kreisförmigen
Querschnitt auf. Der erste Teil bildet eine Art Becher, in welchem
die Kopplereinheit wie ein Kolben bewegbar ist. Die Tiefe des ersten Teils
ist dabei größer als
die entsprechende Tiefe der Kopplereinheit. Der zweite Teil ist ähnlich dem
ersten Teil aufgebaut, wobei die Düsennadel wie ein Kolben in
dem ersten Teil bewegbar ist. Der erste und der zweite Teil können auch
unterschiedlich ausgebildet sein. Das Trennwandelement weist eine
Durchgangsöffnung
etwa in Form einer Durchgangsbohrung auf. Hierdurch stehen das erste
und das zweite Teil in fluidischer Verbindung.
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Weiter
bevorzugt ist, dass die Kopplereinheit als Bolzenelement mit einem
zylindrischen Bolzenteil und einem gegenüber dem Bolzenteil eine größeren Außendurchmesser
aufweisenden, ebenfalls etwa zylindrischem ersten Kopfteil ausgebildet
ist. Somit ist die Kopplereinheit als ein Flanschstück ausgebildet,
das einen Absatz aufweist. Der Bolzenteil hat einen Durchmesser,
der kleiner ist als der Durchmesser des Kopfteils. Das Übersetzungsverhältnis der Übersetzungseinheit
wird durch die Durchmesser der Kopplereinheit und den Außendurchmesser
der Übersetzungseinheit
mitbestimmt. So wird das Übersetzungsverhältnis beispielsweise
mitbestimmt durch die Relation der Differenz der beiden Außendurchmesser
der Kopplereinheit und des Außendurchmessers
der Übersetzungseinheit.
Weiter wird das Übersetzungsverhältnis mitbestimmt
durch die äußeren Abmaße der Düsennadeleinheit.
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Es
ist bevorzugt, dass die Düsennadeleinheit einen
zylindrischen Nadelteil und einem gegenüber dem Nadelteil einen größeren Außendurchmesser aufweisenden
ebenfalls etwa zylindrischen zweiten Kopfteil umfasst ist. Somit
ist der Innendurchmesser der Übersetzungseinheit
oder der Außendurchmesser
des zweiten Kopfteils größer als
der Außendurchmesser
des Nadelteils. Somit weist auch die Düsennadel einen Absatz auf.
Das Übersetzungsverhältnis bestimmt
sich aus der Relation der Differenz des Außendurchmessers des zweiten
Kopfteils und des Außendurchmessers
des Nadelteils und dem Außendurchmesser
des zweiten Teils der Übersetzungseinheit.
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Weiter
ist bevorzugt, dass die Außendurchmesser
der Kopfteile in etwa den Innenabmessungen der korrespondierenden
Teile der als rohrförmiger Körper ausgebildeten Übersetzungseinheit
entsprechen. Auf diese Weise lassen sich die Kopfteile kolbenartig
in der Übersetzungseinheit
führen
und eine entsprechende Kraftübertragungsanordnung
ohne Spalte ausbilden.
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Um
das Öffnen
und Schließen
der Düsennadel
entsprechend einzustellen, ist es bevorzugt, dass zwischen mindestens
einem der Kopfteile und dem Trennwandelement ein Vorspannelement
angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist sowohl zwischen Trennwandelement
und erstem Kopfteil und Trennwandelement und zweitem Kopfteil je
ein Vorspannelement angeordnet. Das Vorspannelement ist in einem
Ausführungsbeispiel
als Feder, insbesondere als Druckfeder ausgebildet. Um die Feder
optimal zu positionieren, weist der dem Trennwandelement zugewandte
Teil der Kopplereinheit und/oder der Düsennadel eine Ausnehmung auf,
in welche das Vorspannelement zumindest teilweise aufgenommen ist.
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Um
eine Übertragung
mit entsprechend einstellbaren Übersetzungsverhältnissen
zu realisieren, ist es weiterhin bevorzugt, dass die Stirnseite
des ersten Teils der Übersetzungseinheit
mit der zu dem Aktor weisenden Stirnfläche des ersten Kopfteils die erste
Kraftübertragungsfläche bildet,
welche den ersten Steuerraum axial begrenzt. Der erste Steuerraum wird
von dem Injektorkörper
als festes Teil sowie der Kopplereinheit und der Übersetzungseinheit
als bewegbare Teile begrenzt. Kopplereinheit wie auch Übersetzungseinheit
sind sowohl relativ zu dem Injektorkörper wie auch zueinander relativ
bewegbar. Die Kraftübertragung
findet in axiale Richtung statt.
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Vorzugsweise
bildet die Stirnseite des zweiten Teils der Übersetzungseinheit mit der
zu der Nadel weisenden Stirnfläche
des zweiten Kopfteils die zweite Kraftübertragungsfläche, welche
den ersten Steuerraum axial begrenzt. Der zweite Steuerraum wird
von dem Injektorkörper
und dem Düsennadelkörper als
feste Teile, sowie der Düsennadel
und der Übersetzungseinheit
als bewegbare Teile begrenzt. Düsennadel
wie auch Übersetzungseinheit
sind sowohl relativ zu dem Injektorkörper wie auch zueinander relativ
bewegbar. Die Kraftübertragung
findet ebenfalls in axiale Richtung statt. Durch unterschiedliches
Einstellen der Kraftübertragungsflächen lassen
sich entsprechend unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse
einstellen.
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Bevorzugt
ist, dass die Innenabmessung des ersten Teils der Übersetzungseinheit
unterschiedlich zu der Innenabmessung des zweiten Teils der Übersetzungseinheit
ausgebildet ist, um ein unterschiedliches Übersetzungsverhältnis zu
realisieren. Hierdurch lässt
sich eine Art Vorspannung realisieren. Bei gleich bemessenen Querschnittsflächen sind
die Übersetzungsverhältnisse
ausgeglichen.
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Um
die gegenläufige
Bewegung der Übersetzungseinheit
zu den anderen bewegbaren Bautteilen zu realisieren, ist es vorteilhaft,
dass die Übersetzungseinheit
relativ bewegbar zu der Kopplereinheit und der Düsennadel ausgebildet ist, um
bei Druckerhöhung
in einem Steuerraum sich in Richtung des anderen Steuerraums zu
bewegen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt. Die Figur
zeigt:
einen schematischen Längsquerschnitt durch einen Kraftstoffinjektor.
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Die
Figur zeigt schematisch einen Kraftstoffinjektor 1 in einem
Längsquerschnitt,
welcher mit direkter Nadelsteuerung nach einem ziehenden Aktorprinzip
wirkt. Der Kraftstoffinjektor 1 umfasst einen Injektorkörper 2 und
einen Düsenkörper 10 (nicht komplett
dargestellt). Injektorkörper 2 und
Düsenkörper 10 sind
entlang einer gemeinsamen Achse miteinander verbunden. In dem an
sich bekannten Düsenkörper 10 sind Öffnungen 11 zum
Einspritzen eines Fluids in einen Brennraum ausgebildet. In dem Injektorkörper 2 ist
ein Aktor 3 aufgenommen, der sich bei Bestromung auslenkt
und bei Abschalten der Bestromung verkürzt. Eine Düsennadel 4 zum Öffnen und
Verschließen
der Öffnungen 11 ist
ebenfalls vorgesehen. Da der Kraftstoffinjektor 1 nach
dem ziehenden Aktorprinzip funktioniert, ist – wenn sich die Düsennadel 4 in
der die Öffnung
verschließenden Position
befindet – der
Aktor 3 bestromt. Bei Betätigen des Kraftstoffinjektors 1 bzw.
des Aktors 3, wird der Strom abgeschaltet und die Düsennadel 4 öffnet.
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Zwischen
Aktor 3 und Düsennadel 4 ist
eine Kopplereinheit 5 an dem Aktor 3 angeordnet.
Die Kopplereinheit 5 ist als bolzenförmiges Element ausgebildet,
welches einen zylindrischen Bolzenteil 5a und daran anschließend einen
ersten Kopfteil 5b aufweist. Der Bolzenteil 5a weist
eine im Querschnitt eine Fläche
A1 auf. Der Kopfteil 5b besitzt im Querschnitt eine demgegenüber größere Fläche A2.
Weiterhin weist der Kopfteil 5b zwei Stirnseiten auf; eine Stirnseite,
welche der Düsennadel 4 zugewandt
ist und eine Stirnseite, die dem Aktor 3 zugewandt ist. An
der Stirnseite, welche der Düsennadel 4 zugewandt
ist, weist der Kopfteil 5b eine Ausnehmung für ein Vorspannelement 9 auf.
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Zwischen
Kopplereinheit 5 und Düsennadel 4 ist
eine Übersetzungseinheit 6 angeordnet.
Die Übersetzungseinheit 6 ist
als ist als im Längsschnitt gesehen
H-förmiger
Körper
mit einem etwa mittig angeordnetem, eine Durchgangsöffnung 12 aufweisenden
Trennwandelement 6a ausgebildet. Das Trennwandelement 6a teilt
den rohrförmigen
Körper
in einen ersten, dem Aktor 3 zugewandten Teil 6b und
einen der Düsennadel 5 zugewandten
Teil 6c. Der becherförmige
erste Teil 6b weist eine maximale Fläche A3 auf. Der Innendurchmesser
des ersten Teils 6b bildet eine Fläche A2 des Kopfteils 5b.
In dem Innenraum des ersten Teils 6b ist der Kopfteil 5b zumindest teilweise
bewegbar aufgenommen.
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Die
Düsennadel 4 weist
einen Nadelteil 4a und einen zweiten Kopfteil 4b auf.
Der zylindrische Nadelteil 4a besitzt eine Fläche A4.
Der zweite Kopfteil 4b weist eine Fläche A5 auf, wobei A5 > A4 ist, und somit
ein Absatz zwischen zweitem Kopfteil 4b und Nadelteil 4a gebildet
ist. Der zweite Kopfteil 4b weist analog zu dem ersten
Kopfteil 5b zwei Stirnseiten auf. An der Stirnseite, welche
zu dem Aktor 3 weist, ist eine Ausnehmung zur Aufnahme
eines Vorspannelements ausgebildet.
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In
dem Injektorkörper 2 ist
ein durch den Injektorkörper 2 sowie
durch die Kopplereinheit 5 und die Übersetzungseinheit 6 begrenzter
erster Steuerraum 7 gebildet. Der erste Steuerraum 7 ist
durch Bewegung der Kopplereinheit 5 und/oder der Übersetzungseinheit 6 hinsichtlich
seiner Größe veränderbar.
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Entsprechend
ist ein durch den Injektorkörper 2,
den Düsenkörper, sowie
durch die Düsennadel 4 und
die Übersetzungseinheit 6 begrenzter
zweiter Steuerraum 8 ausgebildet. Der zweite Steuerraum 8 ist
ebenfalls durch Bewegen der Übersetzungseinheit 6 und/oder
durch Bewegen der Düsennadel 4 hinsichtlich
seiner Größe veränderbar.
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Beide
Steuerräume 7, 8 sind
somit je durch eine axial bewegbare Kraftübertragungsfläche an einer
Seite begrenzt. Die erste Kraftübertragungsfläche A3 minus
A1 wird durch die Stirnseite des ersten Kopfteils 5b, welche
zu dem Aktor 3 weist, durch das Bolzenteil 5a und
die Stirnseite der Übersetzungseinheit 6,
welche zu dem Aktor 3 weist, gebildet. Die zweite Kraftübertragungsfläche A3 minus
A4 wird durch die Stirneite des zweiten Kopfteils 4b, welche entgegengesetzt
zu dem Aktor 3 weist, durch das Nadelteil 4a und
durch die Stirnseite der Übersetzungseinheit 6,
welche von dem Aktor 3 weg weist, gebildet. Über die
Größe der Kraftübertragungsflächen lässt sich
die benötigte
Kraft zum Bewegen der Düsennadel 4 bestimmen.
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Um
die Kraftübertragung
weiter einzustellen, ist zwischen den Kopfteilen 4b, 5b und
der Übersetzungseinheit 6 jeweils
ein Vorspannelement 9 angeordnet. Das Vorspannelement 9 ist
als spiralförmige Druckfeder
ausgebildet, um eine Vorspannkraft zwischen Kopplerteil 5 und Übersetzungseinheit 6 bzw. zwischen Übersetzungseinheit 6 und
Düsennadel 4 zu
bewirken.
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Wird
der Aktor 3 betätigt,
das heißt
der Strom wird abgeschaltet oder unterbrochen, zieht sich der Aktor 3 zusammen,
das heißt
das Ende des Aktors 3, welches mit der Kopplereinheit 5 verbunden
ist, bewegt sich axial von der Öffnung 11 weg.
Da die Kopplereinheit 5 direkt an den Aktor 3 gekoppelt
ist, bewegt sich diese mit dem Aktor 3 mit. Durch die Bewegung
der Kopplereinheit 5 verringert sich das Volumen des mit
einem im Wesentlichen inkompressiblen Fluid gefüllten ersten Steuerraums 7,
wodurch der Druck in dem ersten Steuerraum 7 ansteigt und
die Übersetzungseinheit 6 sich
gegen die Bewegung der Kopplereinheit 5 in Richtung der
Düsennadel 4 bewegt.
Durch diese Bewegung wird nun der ebenfalls mit einem inkompressiblen
Fluid gefüllte
zweite Steuerraum 8 verringert, wodurch auch hier der Druck
in dem zweiten Steuerraum 8 ansteigt. Aufgrund der Druckerhöhung in
dem zweiten Steuerraum 8 bewegt sich die Düsennadel 4 in
Richtung Aktor 3 und die bislang durch die Düsennadel 4 versperrten Öffnungen 11 werden
geöffnet.
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Um
eine Kraftübersetzung
zu bewirken, lassen sich die der Kraftübertragung dienenden wirksamen
Flächen
A1 bis A5 unterschiedlich ausbilden. Die erste Kraftübersetzung
findet in dem ersten Steuerraum 7 statt. Hier lässt sich über die
Fläche
A3 minus A1 eine Übertragungskraft
gemäß der Formel
F = p × A
einstellen. Die erste Übertragung
ergibt sich aus dem Quotienten der Flächen A1 und A2 und der Fläche A3.
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Die
zweite Kraftübersetzung
findet in dem zweiten Steuerraum 8 statt. Hier lässt sich über die wirksame
Fläche
A3 minus A4 eine Übertragungskraft
gemäß der Formel
F = p × A
einstellen. Die zweite Übertragung
ergibt sich aus dem Quotienten der Differenz der Fläche A5 und
A4 und der Fläche
A3.